DE19752221C2

DE19752221C2 - Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen

Info

Publication number: DE19752221C2
Application number: DE1997152221
Authority: DE
Inventors: Friedrich Banke
Original assignee: Anton Steinecker Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Anton Steinecker Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2017-11-26
Also published as: EP0921389A3; EP0921389A2; DE19752221A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen mit Nicht-Newtonschem Fließverhalten.

Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, die Viskosität eines Newtonschen Fluids durch Geräte zu messen, die nach dem Prinzip von Scherspalten arbeiten. Solche Ge räte sind z. B. ein Rotationsviskosimeter oder ein Kugelfallviskosimeter. Bei sogenann ten Newtonschen Medien ist die Stärke der Reibungskraft zwischen einzelnen Schich ten einer laminaren Strömung bestimmt durch die dynamische Viskosität oder Zähigkeit des Mediums, die Fläche der Schicht und den Geschwindigkeitsgradienten zu benach barten Schichten. Für Nicht-Newtonsche Substanzen, für die das Newtonsche Schub spannungsgesetz nicht gilt, und/oder deren Verformung nicht plastisch ist, sind diese Viskosimeter jedoch nur eingeschränkt zur Bestimmung der dynamischen Viskosität geeignet. Zu den Nicht-Newtonschen Substanzen gehören insbesondere Suspensio nen, d. h. Flüssigkeiten, in denen feste Stoffe aufgeschwemmt sind. Solche Feststoffe enthaltende Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fluide sind mit den zuvor genannten herkömmlichen Viskosimetern nur charakterisierbar, wenn sie als Reinstoffe vorliegen bzw. nur kleine Partikeldurchmesser und kleine Feststoffbeladungen aufweisen. Wenn die Partikelgrößen und/oder die Feststoffbeladung ansteigen, z. B. über ca. ein Zehntel des vorhandenen Scherspalts, ist keine genaue Messung aufgrund von Verstopfung und eines dominierenden Einflusses der Partikelwechselwirkung möglich. Dies trifft ins besondere bei Suspensionen zu, wie sie z. B. in der Brautechnik (Maischen), Lebens mittelindustrie oder Biotechnologie vorkommen.

Ein weiteres nach dem Stand der Technik bekanntes Gerät zur Messung der Viskosität ist das Schwingungsviskosimeter. Es hat sich herausgestellt, daß auch diese Schwin gungsviskosimeter keine verläßlichen Messungen der tatsächlichen Viskosität einer Suspension schaffen. Vielmehr wird bei den Schwingungsviskosimetern häufig nur die Viskosität der Trägerflüssigkeit gemessen. Die meist großen Meßfehler hängen zudem noch von Eigenschaften der Suspension, wie dem Durchmesser der aufgeschwemm ten Feststoffteilchen, und der Feststoffbeladung ab.

Aus der WO 87/01198 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit bekannt. Die dort gezeigte Vorrichtung beinhaltet einen her kömmlichen Schaufelrührer sowie eine Vorrichtung zur Messung der Leistungsauf nahme des Rührwerks. Der gemessene Leistungsverbrauch wird zur Viskositätsmes sung einer Flüssigkeit verwendet, ohne daß jedoch das Rührwerk unter Verwendung einer Newtonschen Flüssigkeit mit bekannter dynamischer Viskosität kalibriert wird.

Aus der US-PS 2237743 ist ein Viskosimeter mit scheibenförmigem Viskosimeterrad bekannt. Die Drehwelle ist mit einem Motor, dessen Leistungsaufnahme meßbar ist, gekoppelt.

Aus der DE 29 29 437 A1 ist eine Anordnung zur Bestimmung der abgegebenen Lei stung eine Induktionsmotors bekannt.

Aus der DE-AS 11 30 205 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur gleichzeitigen Mes sung von Viskositäts- und Elastizitätsänderungen eines Stoffes während des Ablaufs von Stoffumwandlungen chemischer oder physikalischer Art bekannt. Dabei wird das Reaktionsdrehmoment eines in der Probenmasse umlaufenden Rührers mehrfach hintereinander gemessen. Eine Eichung mittels eines Newtonschen Mediums ist aus dieser Schrift nicht bekannt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen, d. h. von Suspensionen mit hohen Feststoffbela dungen bzw. großen Partikeldurchmessern mit Nicht-Newtonschem Fließverhalten, mit erhöhter Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Viskositätsmes sung von Maischen, d. h. von Suspensionen mit hohen Feststoffbeladungen bzw. gro ßen Partikeldurchmessern, und Nicht-Newtonschem Fließverhalten, unter Verwendung einer Rührvorrichtung mit einem Rührbehälter zur Aufnahme eines Fluids, einem in dem Rührbehälter angeordneten Rührorgan und einer Vorrichtung zur Erzeugung ei ner Drehbewegung des Rührorgans bezüglich des Rührbehälters, wobei die Lei stungsaufnahme bei einer Vielzahl von ermittelbaren Drehzahlwerten für ein Fluid mit bekannter dynamischer Viskosität gemessen wird und eine rührvorrichtungsspezifische und von der Art des Mediums unabhängige Leistungskennlinie bestimmt wird, und Messen der Leistungsaufnahme bei verschiedenen Drehzahlen für Nicht-Newtonsche Maischen als das zu untersuchende Fluid, deren Viskosität ermittelt werden soll, und Berechnen der gesuchten Viskosität des zu untersuchenden Mediums aus der Lei stungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Leistungsauf nahmemessung angewendeten Drehzahlen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem Vergleich der Leistungsaufnah men einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung relativ zu einem Agitationsorgan in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit für ein zu messendes Fluid und ein bekanntes Fluid mit bekannter Viskosität. Dieses Prinzip ist darauf begründet, daß die Leistungskennlinie einer beliebigen Rührvorrichtung, die den Leistungsbeiwert (Newtonzahl) in Abhängigkeit von der Reynoldszahl zeigt, unabhängig von der Viskosi tät des Fluids ist.

Wenn somit einmal die Leistungskennlinie einer Rührvorrichtung unter Verwendung ei nes bekannten Newtonschen Fluids mit bekannter Viskosität aufgenommen wurde, kann unter Verwendung dieser viskositätsunabhängigen Leistungskennlinie durch Messung der Leistungsaufnahme bei mehreren verschiedenen Strömungsgeschwin digkeiten für das zu untersuchende Medium dessen dynamische Viskosität ermittelt werden bzw. bei Nicht-Newtonschen Fluiden die dynamische Viskosität als Funktion der Scherrate.

Die Leistungsmessung für das zu untersuchende Fluid erfolgt insbesondere im nicht turbulenten Bereich, d. h. für eine Reynoldszahl Re, die kleiner ist als die kritische Reynoldszahl Re_krit, da in diesem Bereich die Meßgenauigkeit aufgrund der starken Abhängigkeit der Leistungsaufnahme von der Reynoldszahl und somit der Strömungs geschwindigkeit bei vorgegebener fester dynamischer Viskosität verbessert ist. Im tur bulenten Bereich verläuft dagegen die Leistungskennlinie annähernd waagrecht, so daß selbst bei hohen Unterschieden in der Reynoldszahl bzw. der Strömungsge schwindigkeit bei festgehaltender dynamischer Viskosität keine oder nur sehr geringe Änderungen in der Leistungsaufnahme auftreten.

Für ausgeprägtes Nicht-Newtonsches Fließverhalten ist eine Leistungsmessung im turbulenten Bereich möglich, da hier die dynamische Viskosität von der Scherrate, d. h. Drehzahl des Rührwerks abhängt.

Insbesondere werden zur Bestimmung der dynamischen Viskosität Nicht-Newtonscher Fluide wenigstens drei Messungen der Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. unterschiedlichen Drehzahlen der Rührvorrichtung, durchgeführt. Bei Nicht-Newtonschen Medien ist die Viskosität von der Scherrate, d. h. der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Eine Messung der Leistungsaufnahme bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten korrespondiert daher mit entsprechenden unterschiedlichen, scherratenabhängigen dynamischen Viskositäten des Nicht- Newtonschen Mediums. Der scherratenabhängige Verlauf der dynamischen Viskosität eines zu untersuchenden Nicht-Newtonschen Fluids läßt sich aus den Ostwaldschen Gleichungen oder vergleichbaren Rechenmodellen bestimmen.

Weiter ist es insbesondere vorteilhaft, für das erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung der Vergleichsmessung ein Newtonsches Fluid mit hoher Viskosität zu verwenden. Damit wird die Meßgenauigkeit aufgrund der höheren Leistungsaufnah men bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Rührvorrich tung erhöht. Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Fehler bei der Bestimmung der Leistungskennlinie für niedrige Reynoldszahlen.

Auf vorteilhafte Weise eignet sich Glukoselösung für das hochviskose Newtonsche Fluid, dessen Viskosität durch Veränderung des Mischungsverhältnisses der Lösung einstellbar und damit auf das jeweilige Rührsystem anpaßbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, daß In-Situ- Messungen mit jedem beliebigen Rührwerk, sei es ein System im Labormaßstab oder ein Rührwerk in der Verwendung im großtechnischen Einsatz, durchgeführt werden kann. Damit können chemische Prozesse, die mit einer Viskositätsänderung einherge hen, verfolgt und überwacht werden. Dies ist insbesondere bei der Bierherstellung vorteilhaft, bei der der Reaktionsfortschritt von in einer Rührvorrichtung gerührter Mai sche durch eine Viskositätsbestimmung, die wiederum auf eine Messung der Lei stungsaufnahme am Rührwerk und eine Drehzahlmessung zurückführbar ist, ermittelt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich insbesondere von den herkömm lich bekannten, auf Scherspalten beruhenden Viskosimetern dadurch, daß einerseits eine Rührvorrichtung, die sowohl zur Erzeugung laminarer als auch turbulenter Strö mungen geeignet ist, eingesetzt wird, andererseits daß eine Vergleichsmessung ge genüber einem bekannten Newtonschen Fluid mit bekannter Viskosität durchgeführt wird, im Gegensatz zur Absolutmessung der dynamischen Viskosität gemäß den Vis kosimetern nach dem Stand der Technik.

Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Rührvorrichtung ver wendet mit einem Rührbehälter, einem Rührorgan und einer Vorrichtung zur Erzeu gung einer Drehbewegung des Rührorgans bezüglich des Rührbehälters, einer Vor richtung zur Messung der Leistungsaufnahme für die Erzeugung der relativen Drehbe wegung und einer Vorrichtung zur Messung der Drehzahl der relativen Drehbewegung.

In vorteilhafter Weise umfaßt die Leistungsaufnahmemeßvorrichtung eine Vorrichtung zur Messung des Drehmoments, das zur Erzeugung der relativen Drehbewegung bei in dem Rührbehälter vorhandenem Fluid erforderlich ist. Dabei kann die Drehmoment messung entweder über Drehmomentaufnehmer, beispielsweise Dehnungsmeßstrei fen, an dem Rührorgan oder durch Messung des Reaktionsmoments auf den nicht in Drehung versetzten Teil der Rührvorrichtung erfolgen. In diesem Fall ist vorteilhafter weise das in dem Rührbehälter vorgesehene Rührorgan über eine Drehwelle angetrie ben, während der Rührbehälter drehbar gelagert ist und mit einer Kraftmeßeinrichtung zur Messung des Reaktionsdrehmoments des Rührbehälters gekoppelt ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, die drehbare Lagerung als nahezu reibungsfreie Luftlagerung auszubilden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, insbesondere im großtechnischen Maßstab, ist die Leistungaufnahmevorrichtung durch einen Frequenzumrichter mit in tegriertem Prozeßrechner ausgestaltet. Hierbei wird die Leistung über die aufgenom mene elektrische Wirkleistung (cos ρ-korrigiert) ermittelt. Die zu berücksichtigenden Reibverluste von vorhandenen Abdichtungen und Getrieben sind in einem Versuch mit ungefülltem Rührkessel zu ermitteln.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Rührbehälter beheizbar, wo durch insbesondere Viskositätsänderungen innerhalb des zu untersuchenden Fluids durch Anregung eines chemischen Prozesses aufgrund der Wärmeeinwirkung erzeug bar sind. Damit können Prozeßabläufe aufgrund chemischer Reaktionen in Abhängig keit von der Zeit durch kontinuierliche Bestimmung der dynamischen Viskosität in der erfindungsgemäßen Viskositätsmeßvorrichtung bestimmt werden.

Vorteilhafterweise ist das Rührorgan, das an einer drehbaren Welle angebracht ist, mit Anbaumitteln bewehrt (sog. Strombrecher), um möglichst hohe Leistungsaufnahmen auch bei niedrigen Drehzahlen zu erzielen, wodurch wiederum die Meßgenauigkeit für die Leistungsaufnahme bei niedrigen Drehzahlen erhöht wird. Damit wird der Fehler in der Leistungscharakteristik für den Leistungsbeiwert bei niedrigen Reynoldszahlen verringert.

Die o. g. Rührvorrichtung ist als Teil eines Systems zur Bierherstellung vorgesehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann damit der Reaktionsfortschritt der Mai sche bei der Bierherstellung durch kontinuierliche Messung der Viskosität überwacht werden. Durch geeignete Variation der Drehzahlen können den Reaktionsfortschritt charakterisierende rheologische Veränderungen der Maische ermittelt werden, wie z. B. Auflösen der Feststoffpartikel, Verkleisterungsphasen, Zunahme des Extrakts.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Rührvor richtung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein in der Rührvorrichtung nach der Fig. 1 verwen detes Rührorgan; und

Fig. 3 eine Grafik, die eine typische Leistungskennlinie einer Rührvorrichtung zeigt.

In der Fig. 1 ist eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Rührvorrichtung dargestellt. Die in diesem Beispiel gezeigte Rührvorrichtung 10 umfaßt eine Rührwelle 12, an derem unteren Ende ein Rührorgan 14 angebracht ist. Die Rührwelle 12 mit dem Rührorgan 14 befindet sich in einem Rührbehälter 16. Die Rühr welle 12 ist mit einem Motor 13 gekoppelt, mit dem eine Drehbewegung um die Längs achse der Rührwelle erzeugbar ist. Ein Drehzahlmesser 15 ist beispielsweise mit dem Motor 13 gekoppelt, mit dem die Drehzahl des Motors und somit der Rührwelle 12 ge messen werden kann.

Zur Messung einer Leistungsaufnahme ist in der gezeigten Ausführungsform eine Vor richtung zur Messung des Reaktionsmoments des Rührkessels bei Betätigung des Motors 13 und Rührens eines in dem Rührkessel 16 vorgesehenen Fluids vorhanden. Die Vorrichtung zur Messung der Leistungsaufnahme umfaßt einen drehbar gelagerten Drehteller 18, der an einem Befestigungspunkt im Abstand von seinem Drehpunkt mit einem Seil 20 verbunden ist, das über eine Umlenkrolle 22 mit einem Gewicht 24 an seinem anderen Ende verbunden ist. Das Gewicht 24 ruht auf einer Waage 26, mit der die Gewichtskraft des Gewichts 24 meßbar ist. Die Umlenkrolle 22 ist über eine Fixie rung 28 gehaltert. Alternativ kann das Seil 20 direkt an eine Kraftmeßzelle montiert sein, wenn diese waagrecht angeordnet wird.

Vorteilhafterweise ist der Drehteller 18 weitgehend reibungsfrei gelagert. Damit ist eine besonders genaue Messung des Reaktionsmoments auf den Rührbehälter 16 möglich. Eine nahezu reibungsfreie Lagerung wird erzielt durch eine Luftlagerung 30, die einen Lagerteller 32 umfaßt, in dem Luftleitungen und Luftaustrittsöffnungen 33 vorgesehen sind, mit deren Hilfe durch einen austretenden Luftstrom der Drehteller 18 reibungsfrei lagerbar ist. Zur Versorgung mit Druckluft ist eine Leitung 36 vorgesehen, in der ein Drosselventil 38 eingebaut ist. Eine an das Drosselventil 38 anschließende Leitung 37 verzweigt zu einer Vielzahl von weiteren Drosseln 40 zur Versorgung der Luftaustritts öffnungen 33 in dem Lagerteller 32.

Der Lagerteller 32 wird gehaltert durch eine Basis 34.

Im Unterschied zu der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Leistungsaufnahmemes sung wäre es auch möglich, das Drehmoment der Rührerwelle bei fixiertem Rührbehäl ter zu messen. Dazu können Drehmomentaufnehmer, z. B. Dehnungsmeßstreifen, an der Rührwelle vorgesehen sein. Die Leistungsaufnahme kann auch über den Motor zum Antrieb des Rührorgans 14 bestimmt werden durch Messung der aufgenomme nen elektrischen Leistung.

Die Rührvorrichtung 10 besitzt in der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungs form eine mittig angeordnete Rührwelle. Entsprechend der skizzierten Ausführungs form wird ein wandferner Rührer verwirklicht, bei dem das Verhältnis der gesamten Länge des Rührorgans 14 zum Verhältnis des Durchmessers des Rührbehälters 16 in der Größenordnung von ca. 0,7 ist. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf ein solches wandfernes Rührorgan oder das Verhältnis der Rührerlänge zum Durchmes ser des Rührbehälters beschränkt.

Ganz im Gegenteil, wie nachfolgend aus der Erläuterung des Verfahrens zur Messung der Viskosität mit der zuvor genannten Rührvorrichtung noch genauer hervorgehen wird, liegt ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß die Viskositätsmes sung nicht durch die Art der Rührvorrichtung eingeschränkt wird. Vorteilhafterweise ist die Rührvorrichtung so ausgebildet, daß insbesondere Fluide mit relativ groben Parti kelbestandteilen, wie z. B. bei der Bierherstellung vorkommende Maischen mit Faser bestandteilen in der Länge von 4-5 mm, problemlos verarbeitet werden können. Die Rührvorrichtungsdimensionierung ist ebenfalls in keiner Weise beschränkt. So sind ei nerseits kleine Rührvorrichtungen im Labormaßstab, die nur zur Aufnahme einer be grenzten Menge des zu untersuchenden Fluids, beispielsweise im Bereich von 1-10 Litern, geeignet sind, oder andererseits im großtechnischen Maßstab ausgelegte Rührwerke mit Kapazitäten von mehreren Kubikmetern für die erfindungsgemäße Vis kositätsmeßvorrichtung geeignet.

Anstelle der in der Ausführungsform der Fig. 1 gezeigten Rührvorrichtung mit mittiger Rührwelle sind auch Systeme mit exzentrischer Anordnung des Rührorgans geeignet. Ganz allgemein ist es für die vorliegende Erfindung lediglich notwendig, daß die Rühr vorrichtung die Eignung besitzt, eine möglichst effiziente Wechselwirkung des Rühr vorgangs mit dem zu untersuchenden Fluid zu schaffen, um eine, wie später noch ge nauer zu erläuternde, stark nichtlineare Abhängigkeit des Leistungsbeiwerts bei niedri gen Reynoldszahlen, d. h. im nichttubulenten Bereich (laminarer Bereich und Über gangsbereich), zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise das Rührorgan 14 beispielhaft mit den in Fig. 2 gezeigten schaufelartigen Anbauten 142, die an der Rührwelle 12 vorgesehen sind, ausgestattet.

Generell sind jedoch auch andere Rührorgane, wie z. B. Wendelrührer, Propellerrührer oder Schneckenrührer geeignet.

Für die Erfindung ist selbstverständlich auch eine Abwandlung geeignet, wonach der Rührbehälter an einen Motor zur Erzeugung einer Drehbewegung gekoppelt ist, wäh rend das Rührorgan 14 in seiner Lage fixiert ist. Die Drehmomentabnahme kann in diesem Fall wieder entweder durch Messung des Reaktionsmoments am Rührorgan bzw. einer Rührachse oder über geeignete Drehmomentaufnehmer, an einer Drehwel le zur Erzeugung der Drehbewegung des Rührbehälters erfolgen.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Viskositätsmessung von Mai sche unter Verwendung einer Rührvorrichtung, wie sie beispielsweise in bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, genauer erläutert werden.

Zunächst wird ein Vergleichsfluid mit bekannter Viskosität in den Rührbehälter 16 von oben eingefüllt. Obwohl eine spezielle Abdichtung des Rührbehälters nicht unbedingt notwendig ist, so ist es dennoch denkbar, einen Deckel oder Verschluß über dem Rührbehälter 16 vorzusehen. Anschließend wird das Rührorgan in Drehung versetzt.

Über den Motor 13 werden verschiedene, durch den Drehzahlmesser 15 ermittelbare Drehzahlen der Rührwelle 12 erzeugt. Für jede bestimmte, gemessene Drehzahl wird das Reaktionsmoment des Rührbehälters über eine Messung der Reaktionskraft F in Verbindung mit der bekannten Hebelarmlänge, die durch den radialen Ansatzpunkt des Seiles 20 am Drehteller 18 gegeben ist, ermittelt. Aus dem Reaktionsmoment M ergibt sich in Verbindung mit der bekannten Drehzahl n die Leistungsaufnahme P.

P = M × ω = M × 2 × π × n = F × L × 2 × π × n

Für jede Drehzahl wird die Leistungsaufnahme umgerechnet in den Leistungsbeiwert Ne (Newtonzahl) gemäß folgender Formel:

Ne = P/(ρ × n³× d⁵), (1)

wobei ρ die Dichte des im Rührbehälter vorgesehenen Fluids, n die Drehzahl und d der Rührdurchmesser des Rührorgans 14 ist. Außerdem wird für jede Messung bei vorge gebener Drehzahl die Reynoldszahl Re gemäß folgender Formel ermittelt:

Re = n × d² × ρ/η, (2)

wobei η die dynamische Viskosität des Mediums ist bzw. bei Nicht-Newtonschen Flui den die dynamische Viskosität für die jeweilige drehzahlabhängige Scherrate.

Die obige Formel für die Reynoldszahl gilt jedoch nur für Newtonsche Medien, bei de nen das Newtonsche Reibungsgesetz gilt. Das Newtonsche Reibungsgesetz be schreibt die Stärke der Reibungskraft zwischen den einzelnen Schichten einer lamina ren Strömung. Dabei ist die Kraft, die auf eine einzelne Schicht wird, proportional zur Fläche der Schicht und zum Geschwindigkeitsgradienten zu den benachbarten Schichten.

Um die korrekte Korrelation zwischen der Reynoldszahl und der dynamischen Viskosi tät sicherzustellen, ist es erforderlich, die anfänglichen Messungen der Leistungsauf nahme bei verschiedenen Drehzahlen mit einem bekannten Newtonschen Fluid, das dem Newtonschen Reibungsgesetz gehorcht, durchzuführen. Insbesondere ist es vorteilhaft, hochviskose Newtonsche Fluide zu verwenden, da in diesem Fall eine ver gleichsweise hohe Leistungsaufnahme auch noch bei sehr niedrigen Drehzahlen auf tritt. Damit sind genaue Messungen der Leistungsaufnahme auch noch im Bereich niedriger Drehzahlen und somit vergleichsweise kleiner Reynoldszahlen möglich. Es ist besonders vorteilhaft, Glukoselösung als das Newtonsche Fluid zu verwenden. Durch Veränderung des Mischungsverhältnisses ist bei Glukoselösungen die dynamische Viskosität an die Erfordernisse des Systems anpaßbar.

Die Meßergebnisse in Form des Leistungsbeiwerts Ne in Abhängigkeit von der Reynoldszahl Re werden in Form eines Diagramms, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, aufge tragen. Diese Leistungskennlinie ist rührwerksspezifisch. Der Leistungsbeiwert in Ab hängigkeit von der Reynoldszahl ändert sich in Abhängigkeit von der Geometrie, Di mensionierung oder der Gestaltung, z. B. der Anbauelemente des Rührorgans.

Andererseits ist diese Leistungskennlinie jedoch unabhängig von der Viskosität des im Rührbehälter vorhandenen Fluids. Dies bildet die Grundlage für die Viskositätsmes sung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf einem Vergleich des Fluids mit unbe kannter Viskosität mit einem Fluid bekannter Viskosität anhand dieser Leistungskenn linie beruht.

Zur Messung der Viskosität des zu untersuchenden Fluids wird dieses anstelle des zu vor verwendeten Fluids bekannter Viskosität in dem Rührbehälter vorgesehen. Nun werden wiederum Leistungsmessungen bei unterschiedlichen Drehzahlen durchge führt. Die Leistungsaufnahme wird wiederum umgerechnet in den Leistungsbeiwert, aus dem die entsprechende Reynoldszahl gemäß der zuvor aufgenommenen, in der Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie ermittelt wird. Sofern es sich bei dem zu untersu chenden Fluid um ein Newtonsches Fluid handelt, reicht ein einziger Meßwert der Lei stungsaufnahme und der Drehzahl zur Bestimmung der dynamischen Viskosität ge mäß den o. g. Formeln 1 und 2.

Aus der in Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie ist ersichtlich, daß die Messung der Lei stungsaufnahme im nichtturbulenten Bereich durchgeführt werden muß, d. h. bei Reynoldszahlen kleiner als 10.000, da sonst keine eindeutige Zuordnung eines ermit telten Leistungsbeiwerts Ne zu einer bestimmten Reynoldszahl möglich ist. Wie aus der Fig. 3 deutlich ersichtlich ist, nimmt die Leistungskennlinie für Reynoldszahlen oberhalb von 10.000, d. h. oberhalb von Re < R_tubulent, einen waagrechten Verlauf an.

Die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere vorteilhaft zur Bestimmung der dy namischen Viskosität Nicht-Newtonscher Fluide. Nicht-Newtonsche Fluide, wie Sus pensionen, unterscheiden sich in ihrer Viskosität stark von der der reinen Trägerflüs sigkeit ohne jegliche Feststoffbeladung. Beim Nicht-Newtonschen Fluid ist ein verän dertes Fließverhalten vorhanden, das in Abhängigkeit von der Art des Feststoffes zu einem strukturviskosen oder dilatenten Fließverhalten führt.

Für Nicht-Newtonsche Fluide ist die Viskosität abhängig von der Scherrate, d. h. der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Die Scherrate korreliert im wesentlichen mit der Drehzahl des Rührorgans. Für ein Nicht-Newtonsches Medium kann die einem Expo nentialverlauf folgende scherratenabhängige dynamische Viskosität aus der nachfol genden Ostwald-Gleichung ermittelt werden, wenn wenigstens drei Meßpunkte vorlie gen, aus der k und m ermittelt werden können.

η = k/^1-m,

wobei k eine Konstante der Dimension Pa.s^m (Konsistenzfaktor) ist, m (Fließindex) eine ganze Zahl und ein Maß für den Leistungsbeiwert ist.

Somit wird durch die Bestimmung der Leistungsaufnahme bei drei Drehzahlen einer Gleichung, und daraus durch Bestimmung des Leistungsbeiwerts bei unterschiedlichen Drehzahlen über eine Lösung der Ostwald-Gleichung die dynamische Viskosität des zu untersuchenden Fluids erhalten. Die Messungen werden vorteilhafterweise in einem Bereich hoher Steigung der in Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie, d. h. bei niedrigen Reynoldszahlen durchgeführt, da dort die höchste Genauigkeit für die Lösung des Gleichungssystems aus den Ostwald-Gleichungen erzielbar ist. Außerdem sollten die Meßpunkte geeignet beabstandet sein, um die in die Lösung der Ostwald-Gleichungen einfließenden Meßfehler möglichst gering zu halten.

Im Bereich niedriger Reynoldszahlen folgt die Leistungskennlinie näherungsweise ei nem Verlauf von 1/Re. Je näher die Leistungskennlinie dem 1/Re-Verlauf folgt, d. h. je kleiner die Reynoldszahlen sind, desto besser kann durch die analytische Beschrei bung der Leistungskennlinie die gesuchte scherratenabhängige dynamische Viskosität des zu untersuchenden Nicht-Newtonschen Fluids erhalten werden.

Die scherratenabhängige dynamische Viskosität eines Nicht-Newtonschen Mediums kann sich zeitlich verändern. Dies tritt insbesondere bei Strukturviskosität des Mediums auf, die entsteht durch die Zerstörung von Vernetzungspunkten zwischen Makromole külen und Partikeln und deren Ausrichtung entsprechend der Deformation des Medi ums. Soweit keine Regeneration auftritt, kann hierdurch über die zeitliche Änderung der Viskosität der Zustand des gerührten Mediums in Abhängigkeit von der Zeit be stimmt werden.

Andererseits läßt sich durch eine zeitliche Abhängigkeit der dynamischen Viskosität auch ein Reaktionszustand einer chemisch reaktionsfähigen Substanz ermitteln, sofern der Anfangs- und Endzustand unterschiedliche Viskosität aufweisen. Dies läßt sich vorteilhaft beispielsweise bei der Bierherstellung einsetzen, wo ein vorbestimmter Re aktionsprozeßfortschritt der in einer Rührvorrichtung durchmischten Maische bestimmt werden soll. Da der Prozeßfortschritt der Maische in eindeutigem Zusammenhang ei ner ermittelbaren Viskosität steht, kann durch eine zeitlich andauernde Messung der dynamischen Viskosität, die auf eine Leistungsmessung bei gegebener Drehzahl zu rückgeführt wird, der Reifegrad der Maische ermittelt werden. Die Kontrolle des Reakti onsfortschritts mittels Leistungsmessung wird begünstigt durch die Temperaturführung des Prozesses. Der Maischprozeß wird bei verschiedenen Temperaturniveaus gefah ren, die jeweils das enzymspezifische Temperaturoptimum darstellen, so daß die Lei stungs- bzw. Viskositätsänderung zum jeweiligen Temperaturniveau Aufschluß über den Fortschritt der korrespondierenden Enzymreaktion gibt. Typische durch Viskosität sänderung charakterisierende Reaktionsphasen sind z. B. Kolloidbildung in der Ver kleistungsphase, Abbau von Feststoffpartikel (Grieße), Abbau von hochmolekularen Eiweißverbindungen.

Zur Stimulierung einer chemischen Reaktion, die die Viskosität des gerührten Fluids verändert, ist vorteilhafterweise eine Heizvorrichtung an der Rührvorrichtung vorgese hen. Es können weitere Einrichtungen, die zur Ingangsetzung einer chemischen Um wandlung geeignet sind, wie Einspeisungsvorrichtungen für chemische Zusatzstoffe, etc., an der Rührvorrichtung vorgesehen sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Viskosität besitzt insbesondere den Vorteil, daß die dynamische Viskosität für Nicht-Newtonsche Fluide bestimmbar sind, die mit den herkömmlichen Viskosimetern, z. B. dem Rotationsviskosimeter, nicht ermittelbar war. Insbesondere bei Medien mit Beladung von sehr groben Feststoffen, wie Biermaischen, in denen Fasern (Spelzen) mit mehreren Millimetern Länge vorhan den sind, wird durch die Erfindung die bisher nicht bestehende Möglichkeit der Viskosi tätsmessung geschaffen. Die Erfindung ist außerdem insbesondere darin vorteilhaft, daß eine In-situ-Messung der Viskosität mit der im großtechnischen Einsatz verwende ten Rührvorrichtung möglich ist. Damit kann mit einer beliebigen Rührvorrichtung die Viskosität unbekannter Nicht-Newtonscher Medien bestimmt werden, wenn einmal eine Eichung unter Aufnahme der Leistungskennlinie der Rührvorrichtung mittels eines be kannten Newtonschen Mediums durchgeführt wurde.

Claims

1. Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen mit Nicht-Newtonschem Fließ verhalten unter Verwendung einer Rührvorrichtung mit einem Rührbehälter zur Aufnahme der Maische, einem in dem Rührbehälter angeordneten Rührorgan, und einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung des Rührorgans be züglich des Rührbehälters,
wobei die Leistungsaufnahme bei einer Vielzahl von ermittelbaren Drehzahlwer ten für ein Fluid mit bekannter dynamischer Viskosität gemessen wird und eine rührvorrichtungsspezifische und von der Art des Mediums unabhängige Lei stungskennlinie bestimmt wird, wobei die rührvorrichtungsspezifische Leistungs kennlinie bestimmt wird durch den Leistungsbeiwert (Ne) über der Reynoldszahl (Re), und
Messen der Leistungsaufnahme bei wenigstens einer Drehzahl für die zu unter suchende Maische, deren Viskosität ermittelt werden soll, und
Berechnen der gesuchten Viskosität des zu untersuchenden Mediums aus der Leistungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Lei stungsaufnahmemessung angewendeten Drehzahl.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Leistungsaufnahmemes sung für das zu untersuchende Fluid im nichtturbulenten Bereich (Re < Re_turbulent) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens drei Leistungs aufnehmemessungen für die zu untersuchende Maische bei unterschiedlichen Drehzahlen durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Bestimmung der Lei stungskennlinie ein Newtonsches Fluid mit hoher Viskosität verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das hochviskose Newtonsche Fluid eine Glu koselösung ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine Drehzahlmessung und eine Messung des Drehmoments zur Erzeugung der Drehbewegung in der Rührvorrichtung umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine Drehzahlmessung und eine Messung eines Reaktionsmoments des nicht in Dre hung versetzten Elements der Rührvorrichtung umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine Messung einer von der Vorrichtung zur Erzeugung der Drehbewegung aufge nommenen elektrischen Leistung umfaßt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Stördrehmomente resultie rend aus der Abdichtung, Getriebe oder Lagerung der Rührwelle in einer Ver gleichsmessung mit unbefülltem Rührbehälter kalibriert werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Rührvorrichtung mit fixiertem Rührbehälter und drehbarem Rührorgan verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Rührvorgang mit Anbauteilen bewehrt ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, wobei der Rührerbehäl ter beheizt wird und die Leistungsaufnahmemessungen für die zu untersuchende Maische zu vorbestimmten Zeitabständen wiederholt werden zur Bestimmung ei ner Zeitabhängigkeit der dynamischen Viskosität der untersuchten Maische.

13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der ermittel ten Viskosität der Reaktionsfortschritt der Maische bei der Bierherstellung be stimmt wird.